彭偉軒

廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司 廣東 中山 528405

1 工程概況

為了能夠深度地探究泵站設(shè)計(jì)以及選泵的要點(diǎn)，本文以東鳳鎮(zhèn)四埒西水閘及泵站工程為例進(jìn)行分析，工程項(xiàng)目地處于中山市北部東鳳鎮(zhèn)，五鄉(xiāng)聯(lián)圍西北部，總面積56.24km2。處于西江下游的小欖水道與雞鴉水道之間，北臨雞鴉水道，與佛山市容桂街道辦事處和中山市的南頭鎮(zhèn)隔水相望，西與佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)以容桂水道相隔，東與中山市阜沙鎮(zhèn)接壤，南臨小欖水道，與中山市小欖鎮(zhèn)隔水相望。現(xiàn)狀：四埒西水閘位于東鳳鎮(zhèn)沿江路，位于永安路永興街和沿江路交匯處，西北方向700m處，位于五鄉(xiāng)聯(lián)圍的五鄉(xiāng)聯(lián)圍東鳳堤段西線3+953處，是一處主要的水閘，建成于1958年，至今已有62年的歷史，于1995年完成了一次加固，其工程老化以及設(shè)備損壞問題嚴(yán)峻，會(huì)存在大量的工程隱患問題，現(xiàn)狀四埒西水閘安全類別評(píng)定為“四類閘”。該工程主要是對(duì)其進(jìn)行原址改造，由水閘重建和新建泵站組成。四埒西水閘自排區(qū)控制集雨面積為4.83km2。工程重建水閘1座，凈寬10m，單孔，閘底板面高程-1.60m，設(shè)計(jì)流量為57.52m3/s；新建泵站1座，設(shè)計(jì)排水流量為5.3m3/s。

該項(xiàng)目需要嚴(yán)格遵照相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成規(guī)劃選址、可研立項(xiàng)、初步設(shè)計(jì)審查、施工圖設(shè)計(jì)審查等一系列的行政審批手續(xù)，在上述審批過程中經(jīng)過多次復(fù)核論證，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案最后方可動(dòng)工建設(shè)[1]。

2 東鳳鎮(zhèn)四埒西水閘及泵站工程設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)處理及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本工程勘察區(qū)表層普遍分布有一定厚度的填筑土層，分布不均勻，組成成分復(fù)雜且不均勻，壓縮性差異大；其下分別為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)砂、礫砂，下部為花崗巖風(fēng)化帶。其中淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)砂層物理力學(xué)性質(zhì)差、承載力低；粉質(zhì)黏土分布不連續(xù)、厚度較小，且有下臥軟弱層；礫砂體的物理機(jī)械性能指數(shù)良好，承載率高，但其結(jié)構(gòu)不連續(xù)、不勻、分級(jí)不合理；在下層的巖體風(fēng)化區(qū)，其物性和機(jī)械性能指數(shù)均優(yōu)于其他類型。在堤壩底板，交通橋，海漫，消力池，護(hù)坦，翼墻等基礎(chǔ)土中，存在著較高的自然含水量、孔隙比、敏感性、壓縮性、強(qiáng)度低、物理力學(xué)性能差、承載力低，屬于軟黏土，容易出現(xiàn)橫向滑動(dòng)或擠壓現(xiàn)象，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形造成一定的不利作用。在基礎(chǔ)土中上部的淤泥質(zhì)和淤泥質(zhì)砂層的抗沖蝕性能較差，其他的巖土具有良好的抗沖蝕性能。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮軟弱土層的抗沖蝕性能，使建筑物地基在最大沖刷深度下有一定的深度，從而避免建筑物因水流沖蝕而失去穩(wěn)定。

根據(jù)地基特性結(jié)合工程界常用處理方式，設(shè)計(jì)中考慮對(duì)砼鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力砼管樁基礎(chǔ)、水泥土攪拌樁復(fù)合基礎(chǔ)三種方案進(jìn)行比選。

建筑物下布置鉆孔灌注樁，可徹底消除地基土液（軟）化的影響和地基土呈互層結(jié)構(gòu)的問題，對(duì)于軟土深厚（大于50m）及軟弱下臥層埋深大的地段該方案有明顯優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，它也可以有效地改善結(jié)構(gòu)的垂直承載力和橫向推力。而鉆孔灌注樁的優(yōu)勢(shì)在于它是一種不擠土法或較少的土體，且不會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成任何的污染；可隨地層的不同而改變，易于調(diào)整承載層高度的變動(dòng)，并能穿越各種軟硬夾層；高的承載量和較高的樁體剛性；但其缺點(diǎn)在于對(duì)工程質(zhì)量的嚴(yán)格控制，工程建設(shè)速度緩慢，而且需要布置好的場(chǎng)地以利于地基的排水，會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成一定的影響。

預(yù)應(yīng)力砼管樁施工方便，施工進(jìn)度快，承載力高，樁身質(zhì)量容易控制，且施工時(shí)可通過壓樁機(jī)的壓力控制，使每根樁承載力大致相等，或根據(jù)所計(jì)算的荷載狀態(tài)來(lái)調(diào)整每根樁承載力，從而降低建筑物的非均質(zhì)性。預(yù)應(yīng)力砼管樁缺點(diǎn)在于施工機(jī)械笨重、樁身噪聲大、擠土大、樁徑小、受地層和樁長(zhǎng)限制較大、施工中對(duì)周圍建筑物有一定的影響等。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基最大限度地利用了原土，無(wú)振動(dòng)，無(wú)噪音，無(wú)污染，對(duì)周圍的環(huán)境沒有任何的影響。在樁身施工中，攪拌器的攪拌作用以及產(chǎn)生的震動(dòng)和排水作用可以使樁間土壤更加致密，而攪拌樁對(duì)原有土壤進(jìn)行加固可以改善基礎(chǔ)的抗滑移性能，增強(qiáng)基礎(chǔ)的穩(wěn)定。水泥混凝土樁的缺陷在于對(duì)樁的質(zhì)量控制有很大的局限性，如果不能很好地進(jìn)行控制，容易出現(xiàn)斷粉、斷樁、樁的強(qiáng)度分布不均等問題，從而對(duì)樁的成樁效果造成很大的負(fù)面作用，樁的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度所需要的齡期比較大，需要在成樁28d后進(jìn)行，造成工程基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)度相對(duì)緩慢。

設(shè)計(jì)中考慮對(duì)泵站及水閘采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力砼管樁基礎(chǔ)兩種方案進(jìn)行比選，在受力性能方面均能滿足受力及變形要求（豎向沉降及水平側(cè)移）；從工程角度來(lái)看，由于鉆孔樁的機(jī)械結(jié)構(gòu)輕、對(duì)場(chǎng)地和配套設(shè)備的需求少，可以確保工程的質(zhì)量，但是工期相對(duì)緩慢；但由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較笨重，對(duì)場(chǎng)地和配套設(shè)備的要求也比較高，而且由于現(xiàn)場(chǎng)空間狹小，周圍房屋稠密，因此必須采取對(duì)預(yù)應(yīng)力砼管樁的施工。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，提出了采用鉆孔灌注樁法進(jìn)行地基加固的施工方案。

本工程位于東鳳鎮(zhèn)西干堤，外臨小欖水道，河道堤身由人工填筑而成，其組成成分主要為黏土和砂粒，含碎石，組成與分布不均勻，壓實(shí)度較差，物理力學(xué)性質(zhì)較差；堤基自上而下分別為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、粉質(zhì)黏土、礫砂和花崗巖風(fēng)化帶，其中自身穩(wěn)定性差，抗滑移、抗沖刷能力較弱，在垂直荷載及水平推力作用下易產(chǎn)生不均勻沉降或過量沉降、剪切破壞等，從而導(dǎo)致河道岸坡塌方失穩(wěn)。本工程設(shè)計(jì)重視開挖邊坡及基坑穩(wěn)定問題，在開挖時(shí)考慮采用鋼板樁進(jìn)行支護(hù)并采用相應(yīng)的排水措施，要求不可在基坑周圍去堆載，保證基坑及開挖邊坡安全[2]。

2.2 工程布置設(shè)計(jì)

四埒西水閘及泵站工程總體布置如下：

泵站布置在現(xiàn)狀水閘內(nèi)河右岸，泵站廠房布置于泵站上部，其右側(cè)水閘箱涵段上部布置安裝檢修間和副廠房，其左側(cè)也布置副廠房；水閘及泵站防洪閘并排布置在舊水閘外江側(cè)；水閘采用箱涵穿堤連接內(nèi)河、泵站防洪閘采用箱涵穿堤連接泵站；箱涵頂布置堤頂?shù)缆贰⒌添斅芳孀鲞M(jìn)廠房道路。

泵站自內(nèi)而外分別由引水渠、內(nèi)河消力池、進(jìn)水前池、主泵房、出水前池、外江消力池、出水渠等組成；水閘自內(nèi)而外分別由內(nèi)河側(cè)連接段、內(nèi)河消力池、閘室、外河消力池、外河連接段等組成。詳見下圖1。

圖1 工程總平面布置示意圖

3 選泵要點(diǎn)

3.1 水泵選型的原則

水泵是泵站的最主要設(shè)備，它直接關(guān)系到泵房布置、工程造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等，對(duì)水泵選型遵循以下原則。

3.1.1 滿足泵站設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程的要求，整個(gè)機(jī)組有實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)要求設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況在高效區(qū)運(yùn)行，最高揚(yáng)程工況機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，配套電動(dòng)機(jī)不超載。

3.1.2 日常運(yùn)行、維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用較低，維護(hù)的技術(shù)難度低。

3.1.3 泵站總體造價(jià)較低。

3.1.4 有多種泵型可供選擇時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)組運(yùn)行可靠性、運(yùn)行費(fèi)用、主機(jī)組費(fèi)用、輔助設(shè)備費(fèi)用、土建投資、主機(jī)組事故可能造成的損失等因素進(jìn)行比較論證，選擇綜合指標(biāo)優(yōu)良的水泵[3]。

3.2 水泵設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)水文分析計(jì)算成果，四埒西泵站外河特征水位、特征揚(yáng)程、設(shè)計(jì)流量等主要設(shè)計(jì)參數(shù)見下表1。

表1 四埒西泵站設(shè)計(jì)特征參數(shù)表

3.3 水泵選型

四埒西泵站設(shè)計(jì)排澇流量5.3m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.36m，最大揚(yáng)程5.36m，選取全貫流泵和軸流泵兩種泵型進(jìn)行比較。該設(shè)備采用潛水電機(jī)和行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)，適合于5m以下的泵站，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)電設(shè)備投資少，流道效率高。垂直軸流泵是一種常規(guī)的排水泵，采用電動(dòng)機(jī)和泵分開的方式進(jìn)行，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程均可達(dá)到四埒西泵站設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，且效率均較高，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面對(duì)這兩種泵型進(jìn)行技術(shù)比較。

3.3.1 從使用功能角度分析，兩種泵型均能滿足排澇功能，此外，還可以利用一些技術(shù)來(lái)進(jìn)行逆向抽水泵，以達(dá)到提高內(nèi)河水質(zhì)的目的：“S”形槳葉技術(shù)可以逆向抽水泵，其特征在于其流道形式與單向水泵完全一致，具有較高的流量利用率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、投資省等優(yōu)點(diǎn)。立式軸流泵可采用“X”型流道實(shí)現(xiàn)雙向抽水，但其流道效率比常規(guī)鐘型或肘型流道低很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比常規(guī)單向排澇泵站高。但軸流泵方案可通過裝設(shè)葉片全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以適應(yīng)不同流量的排澇要求，特別是在超標(biāo)準(zhǔn)暴雨時(shí)可將葉片調(diào)到+4°運(yùn)行，可大大加大泵站排澇流量[4]。

3.3.2 從運(yùn)行管理角度分析，全貫流泵電機(jī)與水泵為一整體，管理及維護(hù)工作量小，檢修時(shí)只需用起重機(jī)將水泵吊出即可進(jìn)行，由于機(jī)組集成化程度高，密封性要求嚴(yán)格，故檢修需運(yùn)回廠家進(jìn)行；立式軸流泵機(jī)組安裝檢修比潛水貫流泵麻煩，費(fèi)用高。

3.3.3 從土建投資角度分析，采用全貫流水泵無(wú)須工廠，節(jié)省了建設(shè)資金。高、低壓配、中央控制室設(shè)置于出水流道之上，不需要另外設(shè)置輔助設(shè)施，節(jié)省了大量的用地。

3.3.4 從技術(shù)成熟角度分析，垂直軸流泵是目前我國(guó)排水泵廠普遍使用的一種類型，技術(shù)較為完善；在低揚(yáng)程大流量泵站中采用全貫流泵相比，其優(yōu)越性顯著。

綜合比較兩種泵型的優(yōu)缺點(diǎn)，本工程泵型擬選用全貫流泵。

3.4 泵型確定

新建四埒西泵站年利用小時(shí)數(shù)很低，根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010）規(guī)定，可不設(shè)備用機(jī)組。新建四埒西泵站功能要求既有排澇要求，也同時(shí)具備引水要求。經(jīng)過比選，本工程選用全貫流泵。四埒西泵站設(shè)計(jì)流量為5.3m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.36m，最高揚(yáng)程5.36m。根據(jù)泵站流量及揚(yáng)程參數(shù)，初擬選用2臺(tái)1000QGLNS-125型全貫流泵。水泵流量及揚(yáng)程均可達(dá)到該泵站的要求，根據(jù)特性圖，水泵在揚(yáng)程及揚(yáng)程均可正常工作，揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)的排水量均可達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，并可在高效率區(qū)域內(nèi)正常工作[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，東鳳鎮(zhèn)四埒西水閘及泵站工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)以及選泵的過程中，要考慮工程總體布置的合理性，基礎(chǔ)處理的可靠性及水泵運(yùn)行的高效性，讓工程能夠更加的安全、經(jīng)濟(jì)、協(xié)調(diào)、美觀。